龙祠水源地高浓度硫酸根离子来源分析

张芳齐

(太原理工大学建筑设计研究院有限公司,山西 太原 030024)

1 龙祠水源地概述

1.1 水源地形成原因

龙祠水源地位于临汾市尧都区西南13km西山山前的龙祠、晋掌村一带,是在龙子祠泉域岩性地层、地质构造和地形条件共同影响下,灰岩裸露区大气降水得以入渗补给,通过岩溶水系统的地下径流汇集,在向东部盆地运动过程中,受到山前大断层的阻挡,地下水横向受阻后便沿断层顺向运动,由于龙子祠一带地形最低,成为东部阻水边界的缺口,断层的东侧坡洪积物厚约35m,下部为石炭二叠系,因而下部阻水,上部部分透水,使岩溶水溢流成泉,从而形成地下水型饮用水水源地,见图1。

泉水出露区1956—2000年多年实测流量为5.19m3/s[7],水源地于1988年投产使用,设计年供水量为2518.5万m3,现状实际年供水量约为2000万m3,供水范围为临汾市市区,用于城镇生活和农业灌溉,供水服务人口约47.5万。

1.2 泉域水文地质条件

1.2.1 含水岩组

泉域内主要含水岩组有寒武—奥陶碳酸盐岩含水岩组、石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组、二叠系碎屑岩裂隙水含水岩组和第四系松散层孔隙含水层。

1.2.2 补给、径流泄水条件

a.补给条件。碳酸盐岩裸露区直接接受大气降水入渗补给、石炭～二叠系碎屑岩类接受大气降水入渗后,通过断裂、陷落柱或顺岩层倾向,向深部奥陶系岩溶水补给。

b.径流条件。受地质构造及水动力条件的控制,区内岩溶水形成了主径流带的运移方式[8],在向斜南端龙祠村形成最低的汇水点。主要径流方向有:复向斜东翼灰岩裸露区在降水入渗后,由北向南经罗云山断裂向龙子祠泉汇流;向斜西翼及北部灰岩裸露区在降水入渗后自北向南经向斜轴部的深循环后,向龙子祠泉汇集;泉域南部灰岩裸露区在接受大气降水入渗后,自南西向北东方向径流,汇入龙祠主径流带,流向龙子祠泉。

c.泄水条件。泉水溢流排泄,通过罗云山断裂的透水段以侧向径流的方式补给山前洪积扇地下水及人工开采排泄。

图2 龙子祠泉水硫酸根离子浓度历年变化趋势

3 成因分析

泉水中硫酸盐来源主要有两个方面:一是岩溶岩系中石膏的溶解;二是煤系地层中硫和硫化物氧化生成硫酸与硫酸盐。前者为地层沉积环境下水岩相互作用的原生产物,后者则是由于煤矿开采改变了硫铁矿的赋存环境,发生的化学反应导致离子溶解浓度增加。

3.1 石膏层

临汾一带在中奥陶世各期早期为一个小的膏盐湖沉积区(图3),分别在上、下马家沟组和峰峰组底部沉积有石膏层,其原始沉积为一套澙湖相泥晶白云岩-泥质碳酸盐岩-石膏及硬石膏岩混合体,由于近代岩溶作用的破坏,地表及浅层部位的石膏已经少见,常见的是溶蚀后的石膏结晶和大量层次不清的膏溶角砾岩,石膏多为层状和似层状,受构造挤压后在部分地段呈透镜状,同一石膏层沿走向常迅速尖灭。

图3 中奥陶世鄂尔多斯盆地-临汾岩相古地理图

石膏(主要成分为CaSO4)的溶解速度是石灰岩和白云岩的约5～10倍[9],不同组织结构及岩性石膏的溶解度为57～332mg/L,比石灰岩和白云岩高5～20倍,因此,夹于碳酸盐岩中的石膏总是最先溶解,并导致碳酸盐岩层的一系列破坏。

3.2 煤系地层硫铁矿

龙子祠泉域内分布有59座煤矿,设计原煤年生产能力合计4740万t,井田面积合计574.3km2,煤矿现状主要开采2～11号煤层。煤系地层中常含有较多的硫化矿物,一般含有0.3%～5%的硫,主要以黄铁矿形式存在,约占煤含硫量的2/3,区内特别是下组煤9号、10号、11号、12号煤多为中—高硫煤。在自然状态下,硫化矿物一般分布在煤层和相对隔水层之中,深部地下水含氧量甚少,而且硫化物与地下水接触机会也少,不易氧化。

由于多年的历史欠账不能完全实现所有企业矿坑水达标排放或零排放。煤矿停采后,产生的采空区逐步蓄积成为“地下水库”,形成“老窑水”,它的化学成分更加复杂多变,对泉域岩溶地下水水质构成的潜在隐蔽危害不容忽视。

3.3 地质结构模式

龙子祠泉域为“单斜逆置型”结构系统,具有如下特点[10]:ⓐ地层倾向与岩溶地下水流向相反;ⓑ煤系地层处于上游、碳酸盐岩渗漏段处于河流下游;ⓒ主体河流分散,渗漏段长度较长。大面积裸露可溶岩分布在泉域下游,“含煤体”分布在泉域上游。上游煤炭开采破坏了煤系含水层,矿坑排水及城市污水排放经过可溶岩河谷时,产生渗漏,给岩溶水的污染提供了路径。

4 来源定量分析

硫在自然界中有32S、33S、34S、36S 4种稳定同位素,由于不同来源硫在各自特定的演化过程中形成硫同位素的分馏,因而造成了硫同位素的差别,利用这一差别,可判别它的来源。

煤中硫铁矿是在泥炭化及成煤期,在还原环境中还原细菌(英文缩写SRB)作用下,将海水中硫酸盐还原成H2S,与陆相黏土中铁反应形成的。SRB更青睐原子半径小的32S[11],故32S 优先参与反应,即硫铁矿中相对富集32S,而34S值很低,中国北方煤总硫的δ34S值平均为3.68‰[12]。有关学者对在娘子关泉域以及北方其他地方获得的一些中奥陶系中石膏所做的测定结果δ34S值都在23‰以上[13-14]。

水样δ34S 值测定在中国地质调查局武汉地质调查中心实验室完成,δ34S值采用IsoPrime质谱仪进行测定,δ34S值采用CDT ( Canyon Diablo Meteorite) 标准,测试精度优于±0.1‰。

表1 龙子祠泉水中34S硫同位素测定值及占总浓度比例

5 结 论

通过上述研究分析,得出如下结论:

a.龙子祠水源地水质中硫酸根离子浓度自20世纪80年代就呈超标状态,并有增长趋势,超标1.2～1.8倍。

b.高浓度的硫酸根主要来源于中奥陶系的石膏层和煤系地层硫铁矿的氧化,以及特殊的“单斜逆置型”地质结构。水源地水质δ34S 值大小取决于石膏和煤系硫铁矿来源的混合比,受煤系硫铁矿影响大时δ34S 值就偏小。

c.中奥陶统石膏的溶解是硫酸根高浓度的主要原因,占比在75%以上;但煤矿开采导致的硫铁矿氧化溶解却是加剧总浓度波动变化的直接显性影响因素。